JP2015531542A - High power electric double layer capacitor - Google Patents
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Abstract
電気二重層キャパシタの電極を記載しており、負極（分極性）は活性炭素クロスから作製し、前記電極の集電体は非活性炭素クロスから作製し、炭素糸で電極のクロスに縫い付ける。集電体の一部に鉛コーティングを付着させ、これに電流端子を接続させる。【選択図】 なしThe electrode of the electric double layer capacitor is described, the negative electrode (polarizability) is made from activated carbon cloth, the current collector of the electrode is made from non-activated carbon cloth, and is sewn to the electrode cloth with carbon yarn. A lead coating is attached to a part of the current collector, and a current terminal is connected thereto. [Selection figure] None
Description
技術分野
本発明は、エネルギー貯蔵電気化学キャパシタの開発に関し、ここで電荷は２種の媒体すなわち電極と電解質との界面に蓄積され、したがって「二重電気層を有するキャパシタ」、および「スーパーキャパシタ」、「ハイブリッドキャパシタ」（日本）、「ウルトラキャパシタ」（ドイツ、ＵＳＡ）、「電気化学キャパシタ」（フランス、カナダ）、「イオニスタ」（ロシアおよび他のＣＩＳ国）と呼ばれている。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to the development of energy storage electrochemical capacitors, where charge is stored at the interface between two media, the electrode and the electrolyte, and thus “capacitors with double electrical layers” and “supercapacitors”. , “Hybrid Capacitor” (Japan), “Ultra Capacitor” (Germany, USA), “Electrochemical Capacitor” (France, Canada), “Ionista” (Russia and other CIS countries).
従来の電解キャパシタと比較したそれらの主な利点は増大したエネルギー密度にある。ある種のこのようなキャパシタは１０ｋＪ／ｋｇ超を貯蔵することができ、１〜１０ｋＷ／ｋｇの比容量で負荷に放電することができる（www.kit-e.ru/articles/condenser/2005_6_12.php）。 Their main advantage compared to conventional electrolytic capacitors is the increased energy density. Some such capacitors can store more than 10 kJ / kg and can be discharged to a load with a specific capacity of 1-10 kW / kg (www.kit-e.ru/articles/condenser/2005_6_12. php).
これに、十分な可能な量の「充放電」サイクル、信頼性および耐久性、および広い動作温度範囲を付加しなければならない。 To this, a sufficient possible amount of “charge / discharge” cycles, reliability and durability, and a wide operating temperature range must be added.
電気二重層を有するキャパシタの上記の特有の構成の特徴は、かなりの程度まで、第一に輸送電気およびハイブリッド手段において、それらの使用の可能性および実行可能性をあらかじめ決定する。その他の将来性ある方向は、不安定な特性を有する発電所、たとえば風車型発電ユニット、太陽電池バッテリを有する発電ユニット、潮力発電所における「補償器」としてのそれらの使用である。 The above mentioned characteristic features of capacitors with electric double layers, to a large extent, predetermine the feasibility and feasibility of their use, primarily in transport electricity and hybrid means. Another promising direction is their use as “compensators” in power plants with unstable characteristics, such as windmill power generation units, power generation units with solar batteries, tidal power plants.
背景技術
二重電気層を有するキャパシタは、正極および負極を分極性にした場合には「対称」でありうるし、各対の電極の一方の電極を分極性にし、他方の電極を非分極性にした場合には「非対称」でありうる。それらの性能特性により、第１の種類のキャパシタを「パルスキャパシタ」と呼び、第２の種類のキャパシタを「パワーキャパシタ」と呼ぶ。本発明はパワーキャパシタに関する。このようなキャパシタの例は公報WO 99/24996に記載されているキャパシタであり、その本体内部に、炭素材料から作製した負極、集電体、二酸化セレンから作製した正極、電極から離れて設置したセパレータ、無機酸の水溶液およびそれらの混合物から作製した電解質を有する。１つの負極を各々半分の厚さを有する２つの電極に分割することにより、実質的にエネルギーの抵抗損の半減をもたらし、かなり高い電流密度の値をもつが、得られる特定の特性は不十分である。
BACKGROUND ART A capacitor having a double electric layer can be “symmetric” when the positive electrode and the negative electrode are polarizable, one electrode of each pair of electrodes is polarizable, and the other electrode is nonpolarizable. In this case, it may be “asymmetric”. Due to their performance characteristics, the first type of capacitor is called a “pulse capacitor” and the second type of capacitor is called a “power capacitor”. The present invention relates to a power capacitor. An example of such a capacitor is the capacitor described in the publication WO 99/24996, and inside the main body, a negative electrode made from a carbon material, a current collector, a positive electrode made from selenium dioxide, and placed away from the electrode It has an electrolyte prepared from a separator, an aqueous solution of an inorganic acid, and a mixture thereof. Splitting one negative electrode into two electrodes, each having a half thickness, substantially halves the resistance loss of energy and has a fairly high current density value, but the specific properties obtained are inadequate It is.
本発明の他の類似物はWO出願#99/31688に記載されたキャパシタであり、前記キャパシタは耐荷重側板によって形成されたケーシング内に配置され、長方形プレートの形状にした正極を組み込んだ少なくとも１つまたはｎのキャパシタ要素を含み、その両面をポーラスなセパレータで覆い、前記長方形プレートはペースト状の活物質をそのセルの中に入れたグリッドからなり、前記正極を２つの負極の間に配置し、負極を今度はプレートの形状を有しキャパシタ電極が互いに電気接触するのを防止する絶縁体の間に位置し、集電体間には黒鉛繊維から作製した保護層を有し、この場合、２つの負極は短絡している。負極はポーラス炭素材料から作製し、正極は９５％の鉛と５％のアンチモンとを含有する合金からなる、グリッドに加圧加工した鉛活物質を含む材料から作製する。電流リードは一方の面に黒鉛フォイルから作製し耐酸性ポリマーを含浸させた保護コーティングを有し、電流リードの他方の面をキャパシタ電極が互いに電気接触するのを防止する絶縁体で保護している。硫酸の水溶液を電解質として使用する。キャパシタをケーシングの耐荷重パネルの間で圧縮させる。キャパシタの圧縮により、抵抗損が低減し、キャパシタの加熱が防止され、これはデバイス効率が全体として増大することを意味する。しかし、圧縮のプロセスにおいて、充電および再充電の結果として生成された気体を、浄化のために対向電極まで十分な速度で移送することができない。負極および正極のポアをフラッディングする結果である。その上、生成された気体は、イオンの通過を阻止しキャパシタ内の圧力を高めるので、オーミック抵抗を増加させる。圧縮の結果として形成された余分な電解質は、漏出した場合、キャパシタ容量の低減を引き起こし、キャパシタの電気リードの金属表面に損傷を与え、短絡を引き起こすことがあり、漏出した電解質の存在は外部絶縁体に損傷をもたらし、キャパシタの早期不良をもたらすであろう。 Another analog of the present invention is the capacitor described in WO application # 99/31688, which is disposed in a casing formed by a load bearing side plate and incorporates a positive electrode in the form of a rectangular plate. One or n capacitor elements, covered on both sides with a porous separator, the rectangular plate is made of a grid with paste-like active material in the cell, and the positive electrode is placed between two negative electrodes. The negative electrode is now in the shape of a plate and located between the insulators that prevent the capacitor electrodes from making electrical contact with each other, and between the current collectors has a protective layer made of graphite fiber, The two negative electrodes are short-circuited. The negative electrode is made of a porous carbon material, and the positive electrode is made of a material containing a lead active material press-processed on a grid, which is made of an alloy containing 95% lead and 5% antimony. The current lead has a protective coating made of graphite foil on one side and impregnated with acid resistant polymer, and the other side of the current lead is protected with an insulator that prevents the capacitor electrodes from making electrical contact with each other. . An aqueous solution of sulfuric acid is used as the electrolyte. The capacitor is compressed between the load-bearing panels of the casing. Capacitor compression reduces resistance loss and prevents capacitor heating, which means that device efficiency is increased overall. However, in the compression process, the gas produced as a result of charging and recharging cannot be transferred to the counter electrode at a sufficient rate for purification. It is a result of flooding the pores of the negative electrode and the positive electrode. In addition, the generated gas prevents the passage of ions and increases the pressure in the capacitor, thereby increasing the ohmic resistance. Excess electrolyte formed as a result of compression, if leaked, can cause a reduction in the capacitance of the capacitor, damage the metal surface of the capacitor's electrical leads and cause a short circuit, and the presence of the leaked electrolyte is externally isolated. Will cause damage to the body and cause premature failure of the capacitor.
提案した発明に最も近いものはRU特許#2262148に記載されたキャパシタであり、前記キャパシタは少なくとも１つまたはｎの貯蔵セルを含んでおり、その各々は両面でポーラスなセパレータに覆われ、グリッドからなる長方形プレートの形状にした正極を含み、そのセルを強制的にペースト状の活物質で充填し、キャパシタは長方形プレートの形状を有する絶縁体の間に配置された２つの負極の間に位置し、その内面に黒鉛フォイルから作製した保護コーティングを有する金属端子を配置し、外面でキャパシタを耐荷重板によって加圧し、正極はポーラスなセパレータによって覆い、長方形の形状の柔軟なフレームのスロットに配置してＴ字プロファイルを有し、その内径をＴ字プロファイルの文字「Ｔ」の脚部の上部によって形成し、フィルタ用の座面を持つ穴とスロットの形状をした開口とを有し、一方で絶縁体を箱型として作製している。 Closest to the proposed invention is the capacitor described in RU Patent # 2262148, which includes at least one or n storage cells, each of which is covered by a porous separator on both sides, from the grid. A positive electrode in the shape of a rectangular plate, the cell is forcibly filled with a paste-like active material, and the capacitor is located between two negative electrodes disposed between insulators having the shape of a rectangular plate. A metal terminal with a protective coating made of graphite foil is placed on the inner surface, the capacitor is pressed with a load-bearing plate on the outer surface, the positive electrode is covered with a porous separator, and placed in a slot in a flexible frame with a rectangular shape. A T-profile, the inner diameter of which is formed by the upper part of the leg of the letter “T” of the T-profile, And a slot-shaped opening, while the insulator is fabricated as a box.
キャパシタは端部に配置した耐荷重側板を接続する２つの側面パネルからなるケーシング内に封入し、柔軟なフレームは弾性の耐酸性材料、たとえばＰＶＣから作製し、さらにペースト状の活物質はポリプロピレン繊維で充填された二酸化鉛からなる。負極は１２００ｍ2／ｇの単位内表面および１４０±２０ｇ／ｃｍ2の単位面積当たり密度を有する活性炭素繊維クロスから作製する。ポーラスなセパレータは、最大９７％の体積ポロシティー、７〜１０μｍのポアサイズを有し、全厚が０．７〜１ｍｍである超微細ガラス繊維から作製し、黒鉛フォイルから作製した保護層はコロホニー５％（重量％）を添加したセレシンを含有し、電解質として１．３〜１．４ｇ／ｃｍ3の密度を有する硫酸水溶液を使用し、金属端子をホットメルト接着剤、たとえば酢酸ビニルとポリプロピレンとのコポリマーを使用して絶縁体の内部に設置する。 The capacitor is enclosed in a casing consisting of two side panels connecting the load-bearing side plates arranged at the end, the flexible frame is made of an elastic acid-resistant material, such as PVC, and the paste-like active material is polypropylene fiber It consists of lead dioxide filled with. The negative electrode is made from an activated carbon fiber cloth having a unit inner surface of 1200 m 2 / g and a density per unit area of 140 ± 20 g / cm 2 . The porous separator is made of ultrafine glass fibers having a maximum volume porosity of 97%, a pore size of 7 to 10 μm, and a total thickness of 0.7 to 1 mm, and the protective layer made of graphite foil is made of colophony 5 % (Weight%) of ceresin added, an aqueous sulfuric acid solution having a density of 1.3 to 1.4 g / cm 3 is used as an electrolyte, and a metal terminal is made of a hot melt adhesive such as vinyl acetate and polypropylene. Install inside the insulator using copolymer.
前記キャパシタはいくつかの欠点がある：
−ホットメルト接着剤（たとえば、Sevilen）を使用して絶縁体内に設置した金属シートは負極からの電流の集電体として働き、Perizinで含浸させたGraphlexから作製した保護シートをホットメルト接着剤によって前記金属シートに固定する。
The capacitor has several drawbacks:
-A metal sheet placed in an insulator using a hot-melt adhesive (eg Sevilen) acts as a current collector for the current from the negative electrode, and a protective sheet made from Graphiz impregnated with Perizin is used by the hot-melt adhesive Fix to the metal sheet.
−このような負極の集電体の設計は十分複雑であり、金属シートの製造、Graflexから作製したシートの製造およびそれらのPerizin中での含浸を要する。さらに、ホットメルト接着剤による、金属シートとGraflexから作製したシートとの封止は時間がかかり、接合が気密になることを保証するわけではない。 -The design of such negative electrode current collectors is sufficiently complex and requires the production of metal sheets, the production of sheets made from Graflex and their impregnation in Perizin. Furthermore, sealing a metal sheet and a sheet made from Graflex with a hot melt adhesive is time consuming and does not guarantee that the bond is airtight.
−負極はセル内に強固に固定されず、組立てのプロセス中にずれることがあり、それはセル内での短絡およびキャパシタ圧縮のプロセスにおける要素の不均一な圧縮を引き起こすであろう。 The negative electrode is not firmly fixed in the cell and may shift during the assembly process, which will cause non-uniform compression of the elements in the process of short circuit and capacitor compression in the cell.
発明の開示
本発明の目的は二重電気層を有するパワーキャパシタを提供することであり、前記キャパシタは：
−製造すべき部品の量の減少；
−キャパシタ組立ての過程における労力のかかるプロセス指向の操作の低減；
−キャパシタの重量および内部抵抗の減少、その結果として、その特定の特性の強化
を与える。
DISCLOSURE OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a power capacitor having a double electrical layer, the capacitor comprising:
-Reduction in the amount of parts to be manufactured;
-Reduction of labor-intensive process-oriented operations in the process of capacitor assembly;
-Reducing the weight and internal resistance of the capacitor, resulting in an enhancement of its specific properties.
これらの目的は本発明において、主にキャパシタ負極の集電体の設計の変更により解決される。本発明によれば、負極自体は活性炭素繊維クロスから作製し、その集電体は電極の繊維クロスに取り付けた非活性繊維状炭素材料から製作し、その表面の一部を鉛コーティングで覆っている。 These objects are solved in the present invention mainly by changing the design of the current collector of the capacitor negative electrode. According to the present invention, the negative electrode itself is made of activated carbon fiber cloth, the current collector is made of non-active fibrous carbon material attached to the electrode fiber cloth, and part of its surface is covered with lead coating. Yes.
集電体の繊維状材料は、炭素糸を使用して縫い付けることにより、電極の繊維クロスに取り付ける。 The fibrous material of the current collector is attached to the fiber cloth of the electrode by sewing using a carbon thread.
集電体の繊維状材料の表面の一部に形成した鉛コーティングは電気化学（ガルバニック）法を使用して付着させることができる。 A lead coating formed on a portion of the surface of the fibrous material of the current collector can be deposited using an electrochemical (galvanic) method.
さらに、負極の活性炭素繊維クロスにバインダー（プロトン伝導性ポリマー）と混合した活性炭素粉末を付着させてもよい。 Further, activated carbon powder mixed with a binder (proton conductive polymer) may be attached to the activated carbon fiber cloth of the negative electrode.
キャパシタの上述したおよび他の特定の特徴および利点は以下の記述および添付図面から、より明らかになるであろう。 The above and other specific features and advantages of the capacitor will become more apparent from the following description and accompanying drawings.
発明の詳細な説明
キャパシタの主な要素は、少なくとも１つの正極（非分極性）（１）、少なくとも１つの負極（分極性）（２）、およびセパレータ（３）である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The main elements of a capacitor are at least one positive electrode (nonpolarizable) (1), at least one negative electrode (polarizable) (2), and a separator (3).
正極（１）。 Positive electrode (1).
これは鉛−カルシウム−スズ合金（０．０５％のカルシウム、１．２〜１．５％のスズ、残りは不純な鉛）のグリッド鋳造物からなる。 This consists of a grid casting of a lead-calcium-tin alloy (0.05% calcium, 1.2-1.5% tin, the remainder impure lead).
グリッドセルの内部に主に二酸化鉛からなる活物質を入れる。電極は封止ガスケット（４）の内部に配置する。 An active material mainly composed of lead dioxide is placed inside the grid cell. The electrode is disposed inside the sealing gasket (4).
負極（２）は複合材料から作製し、母材として働くのは活性炭素繊維クロス、たとえば約１２００ｍ2／ｇの単位内表面を有するＵＶＩＳ−ＡＫ−Ｔ−０４０であり、フィラーはプロトン伝導性バインダーと混合した活性粉末炭素である。 The negative electrode (2) is made of a composite material, and it is activated carbon fiber cloth, for example, UVIS-AK-T-040 having a unit inner surface of about 1200 m 2 / g, which serves as a base material. The filler is a proton conductive binder. Activated powdered carbon mixed with
負極（２）の集電体（１０）は、その表面の一部に電気化学法によって幅２〜４ｍｍの細片の鉛を付着させた、非活性（ノンポーラス）炭素繊維クロスである。これを行うには、前記繊維クロスの一部を金型内に配置し、次いで温度ｔ＝５２０〜５６０℃を有する鉛を溶融する。プロセス中に、鉛鋳造の電流リードを形成する。さらに、集電体（非活性繊維クロス）を、炭素糸で縫い付けることによって（たとえば、フロロン縫製糸を使用することができる）電極クロスに取り付ける。 The current collector (10) of the negative electrode (2) is an inactive (nonporous) carbon fiber cloth in which a piece of lead having a width of 2 to 4 mm is attached to a part of the surface by an electrochemical method. To do this, a portion of the fiber cloth is placed in a mold and then lead having a temperature t = 520-560 ° C. is melted. During the process, lead-cast current leads are formed. Further, the current collector (non-active fiber cloth) is attached to the electrode cloth by sewing with carbon thread (for example, a fluorocarbon sewing thread can be used).
セパレーター（３）は最大９５％のポア体積（体積ポロシティ）および１０〜２５μｍのポアサイズおよび０．７〜２ｍｍの太さを有する超微細ガラス繊維から作製する。 The separator (3) is made from ultrafine glass fibers having a pore volume (volume porosity) of up to 95%, a pore size of 10-25 μm and a thickness of 0.7-2 mm.
封止ガスケット（４）は、金型鋳造法を使用して、弾性のある耐酸性材料から（たとえば、軟質ＰＣＶまたはシリコーンから）作製する。ガスケットは正極の端部を受容する穴、ならびにベント穴を有する。その内周上に形成した溝があり、前記溝内に正極を配置する。 The sealing gasket (4) is made from an elastic acid resistant material (eg, from soft PCV or silicone) using a mold casting process. The gasket has a hole for receiving the end of the positive electrode, as well as a vent hole. There is a groove formed on the inner periphery, and a positive electrode is disposed in the groove.
端部絶縁体（５）および中間絶縁体（６）は電解質が電極の端部に接触するのを防ぐように働く。 The end insulator (5) and the intermediate insulator (6) serve to prevent the electrolyte from contacting the end of the electrode.
負極の集電体の端子用開口を持つ長方形形状のチャネル部が有する箱型の端部絶縁体（５）は、金型鋳造法を使用して、耐衝撃性ポリスチレンから作製する。 The box-shaped end insulator (5) of the rectangular channel portion having the terminal opening of the negative electrode current collector is produced from impact-resistant polystyrene by using a mold casting method.
中間絶縁体（６）は両面箱型であり、形状が長方形であり、上部に負極の集電体の端子のための２つの開口をもつＩ字形断面である。また、これは耐衝撃性ポリスチレンから製作する。 The intermediate insulator (6) has a double-sided box shape, is rectangular in shape, and has an I-shaped cross section with two openings at the top for terminals of the negative electrode current collector. It is also made from high impact polystyrene.
キャパシタ組立てのプロセスを開始する前に、正極および負極を、密度が１．２５〜１．３０ｇ／ｃｍ2である硫酸の水溶液中で３０〜６０分の範囲内で含浸させる。これを行うには、５〜８ｋｇ／ｃｍ2の単位圧力を加えることによって負極を押圧する。 Before starting the capacitor assembly process, the positive and negative electrodes are impregnated in an aqueous solution of sulfuric acid having a density of 1.25 to 1.30 g / cm 2 within a range of 30 to 60 minutes. To do this, it presses the negative electrode by adding a unit pressure of 5~8kg / cm 2.
キャパシタの組立ては下記の通り行う。プロセス指向のベースプレート上に、ある順序で下記を配置する：
−耐荷重パネル（７）（１４〜１６ｍｍ厚のアルミニウムシート）；
−端部絶縁体（５）；
−負極（２）、集電体端部が絶縁体の開口に進入している；
−正極（１）、ガスケット（４）内に配置され、両面でセパレータ（３）に覆われている；
−負極（２）；
−中間絶縁体（６）、そしてもう一度：
−負極；
−正極、ガスケットおよびセパレータなどを有する。キャパシタバッテリが必要とする電圧に依存する。
The capacitor is assembled as follows. Place the following in a certain order on a process-oriented base plate:
Load bearing panel (7) (14-16 mm thick aluminum sheet);
-End insulators (5);
The negative electrode (2), the current collector end has entered the opening of the insulator;
-Disposed in the positive electrode (1), gasket (4) and covered on both sides by the separator (3);
-Negative electrode (2);
-Intermediate insulator (6) and once again:
-Negative electrode;
-It has a positive electrode, a gasket, a separator and the like. Depends on the voltage required by the capacitor battery.
端部絶縁体および耐荷重板を負極上に配置する。 An end insulator and a load bearing plate are disposed on the negative electrode.
タイ（８）によって全てのキャパシタ要素を７〜１０ｋｇ／ｃｍ2の特定圧力で圧縮する。 All capacitor elements are compressed by a tie (8) at a specific pressure of 7-10 kg / cm 2 .
圧縮のプロセス中、絶縁体の末端がガスケット（４）の縁部に接合し、電解質もれの可能性を完全に排除し、その内部体積が電解質で充填される空間を与える。 During the compression process, the end of the insulator joins the edge of the gasket (4), completely eliminating the possibility of electrolyte leakage and providing a space whose internal volume is filled with electrolyte.
正および負の電流リード（９、１０）をはんだごてによってはんだ付けし、ブラケットを使用して直列に接続する。 The positive and negative current leads (9, 10) are soldered with a soldering iron and connected in series using a bracket.
封止剤（１４）をケーシング（１２）内に注入し、次いで組み立てたキャパシタをその内部に配置する。必要量の封止剤を上から通気管（１５）のレベルよりも２〜３ｍｍ低いレベルまで加える。 Sealant (14) is poured into casing (12) and the assembled capacitor is then placed therein. Add the required amount of sealant from the top to a level 2-3 mm below the level of the vent tube (15).
カバー（１３）を、ヒートシール法を使用して、ケーシング（１２）に溶接する。 The cover (13) is welded to the casing (12) using a heat sealing method.
弁（１１）をカバーの穴に設置する。 Install the valve (11) in the hole in the cover.
産業上の利用可能性
本発明により製造されるキャパシタは、その製造コストのかなりの低減をもたらすと同時にその動作特性を強化する。
Industrial Applicability A capacitor manufactured according to the present invention provides a significant reduction in its manufacturing costs while at the same time enhancing its operating characteristics.
Claims (4)
少なくとも１つの鉛正極と、
少なくとも１つの負極と、
前記電極の集電体と、
前記電極を離して設置させるセパレータと
を含み；
前記負極は活性炭素繊維クロスから作製し、一方この電極の前記集電体は非活性繊維状炭素材料から作製し前記電極の前記活性炭素繊維クロスに縫い付け、その表面の一部に電流リードが接続される鉛コーティングを有するキャパシタ。 A power capacitor having a double electrical layer comprising:
At least one lead cathode;
At least one negative electrode;
A current collector of the electrode;
A separator for separating the electrodes from each other;
The negative electrode is made of activated carbon fiber cloth, while the current collector of this electrode is made of non-activated fibrous carbon material and sewn to the activated carbon fiber cloth of the electrode, and current leads are partly on its surface. Capacitor with lead coating connected.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2012/000741 WO2014038970A1 (en) | 2012-09-06 | 2012-09-06 | High-power electric double-layer capacitor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2015531542A true JP2015531542A (en) | 2015-11-02 |
Family
ID=50237453
Family Applications (1)
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